CN107765362A - 一种基于石墨烯的电光可调d型啁啾光纤光栅 - Google Patents

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刘永
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：包括纤芯，包裹纤芯的外包层和光纤平面一侧的涂覆层，所述涂覆层从下至上包括第一隔离介质层，第一石墨烯层，第三隔离介质层，第二石墨烯层，第五隔离介质层，第一石墨烯层连接电极A，第二石墨烯层连接电极B，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层均为等间距周期设置的叉指电极结构，光传输方向上为多段均匀的石墨烯啁啾光纤光栅。本发明啁啾光纤光栅的谐振波长随着外加在石墨烯上的电场的变化而改变，从而形成可调谐啁啾光纤光栅，具有可调谐波长范围宽、响应速度快等优势。

Description

一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅
技术领域
本发明属于光纤通信领域，具体涉及一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅。
背景技术
啁啾光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变化导致其反射波长沿光传输方向发生变化而形成的一种光纤光栅。啁啾光纤光栅分为线性和非线性两种，利用啁啾光纤光栅可构成宽带滤波器、用于色散补偿、脉冲压缩和放大等。
传统的啁啾光纤光栅是在光栅表面通过光刻形成刻槽，啁啾光纤光栅制作成功后其结构和周期保持不变，由于啁啾光纤光栅的谐振波长只与光栅的周期和有效折射率相关，所以传统的永久性啁啾光纤光栅只能对某一固定的谐振波长附近某一固定范围的光进行作用，在光通信高速和密集波分复用等系统只能利用少量的信道，降低了通信数据的能力。为了满足高速带宽通信技术的发展需求，谐振波长可调谐啁啾光纤光栅的研究成为必然趋势。
石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，是典型的零带隙的半导体，通过sp2杂化形成平面六元环结构，每个碳原子除了以键与其它三个碳原子紧密结合外，剩余的电子之间形成离域大键，电子可以在这个区域内自由移动。石墨烯几乎是完全透明的，吸收率可仅达2.3％，它的热系数高达5000，比常见的金属高达十倍以上，室温下，石墨烯中的载流子迁移率可以达到20000，这相当于光速的1/300，电阻率只有Ω·cm，比铜和银电阻率更低，是世界上电阻率最小的材料，却有超高的力学性能，达到1060GPa，被证明为当代最牢固的材料，同时，在石墨烯上外加一个电场，可以改变其折射率的实部和虚部，因此可以将石墨烯用到光纤通信器件中，制成性能稳定、快速响应和对带宽光进行作用的光纤通信器件。
目前，大多数波长可调谐啁啾光纤光栅都是利用机械调谐法、温度梯度变化法和电磁场变化法制成，但是机械调谐法得到的啁啾光纤光栅的循环利用率低，温度梯度变化法在技术上实现比较困难，电磁场变化法在目前的技术还难以实现灵活调谐。由于石墨烯的折射率可通过外加电场来调控，且石墨烯的响应速度足够快，因此可利用石墨烯的这一特性来制作快速波长可调谐的啁啾光纤光栅，通过改变石墨烯的折射率来改变啁啾光纤光栅的有效折射率，从而使光栅的谐振波长发生变化，改变光栅的可调谐反射波长以及发射波长的带宽。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，以解决现有啁啾光纤光栅技术中存在的循环利用率低，技术上实现困难，调谐不灵活的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，包括纤芯1，包裹纤芯的外包层2和光纤平面一侧的涂覆层，所述涂覆层从下至上包括第一隔离介质层3，第一石墨烯层4，第三隔离介质层6，第二石墨烯层7，第五隔离介质层9，第一石墨烯层4连接电极A，第二石墨烯层7连接电极B，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层均为叉指电极结构，光传输方向上各段中心间隔相同，各段石墨烯条宽度依次递增或递减。
所述涂覆层还包括第二隔离介质层5和/或第四隔离介质层8。
所述第一石墨烯层和第二石墨烯层均为单层石墨烯。
所述第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层、第四隔离介质层和第五隔离介质层均为绝缘层。
所述绝缘层为硼氮化物、硅氧化物或硅氮化物。
所述电极A和电极B的材料为金、银、铂或铜。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过叉指结构中各段石墨烯条宽度依次递增或递减，形成啁啾光纤光栅，工艺易实现；
2、本发明中，石墨烯的折射率电控可调以及响应速度快，相对于利用机械调谐法、温度梯度变化法和电磁场变化法制成的啁啾光纤光栅，具有响应速度快，可调谐波长范围宽的优势；
3、本发明中，覆盖有石墨烯的光纤部分，指石墨烯叉指电极投影在光纤上的那部分光纤，其有效折射率随电场的改变而改变，该啁啾光纤光栅的谐振波长可随着外加在石墨烯上的电场的变化而改变，使同一结构的啁啾光纤光栅在不同的电场条件下，对光波具有不同的选择性，增大光栅可调谐波长带宽。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面示意图；
图3为本发明结构中的石墨烯层结构示意图；
图4为本发明结构中的石墨烯层俯视示意图；
图中标记：1-纤芯，2-外包层，3-第一隔离介质层，4-第一石墨烯层，5-第二隔离介质层，6-第三隔离介质层，7-第二石墨烯层，8-第四隔离介质层，9-第五隔离介质层，10-电极A，11-叉指，12-电极B。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1，一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，包括纤芯1，包裹纤芯的外包层2和光纤平面一侧的涂覆层，所述涂覆层从下至上包括第一隔离介质层3，第一石墨烯层4，第二隔离介质层5，第三隔离介质层6，第二石墨烯层7，第四隔离介质层8，第五隔离介质层9，第一石墨烯层4连接电极A，第二石墨烯层7连接电极B，第一石墨烯层和第二石墨烯层均为叉指电极结构，光传输方向上为多段的石墨烯啁啾光纤光栅，各段中心间隔相同，沿光传输方向各段石墨烯条宽度依次递增或递减。
纤芯和外包层材料均为石英玻璃，但两区域中掺杂情况不同。纤芯的直径为4.5μm，外包层直径为125μm，所述第一石墨烯层4和第二石墨烯层7均为单层石墨烯，所述第一隔离介质层、第二隔离介质层、第三隔离介质层、第四隔离介质层、第五隔离介质层均为厚度为5nm的六方氮化硼HBN。
覆盖在光纤平面一侧的第一石墨烯层4和第二石墨烯层7，通过在电极10和电极12上外加电场，使得石墨烯的折射率随外加电场的变化而变化，从而在整个光纤中，使覆盖有石墨烯的光纤部分，即石墨烯叉指电极投影在光纤上的那部分的有效折射率也随电场的改变而改变，没有石墨烯覆盖的部分光纤的折射率保持不变，因此在光纤中沿光传输的方向上，使得光纤的有效折射率随外加电场的变化而变化，形成啁啾光纤光栅，而啁啾光纤光栅的谐振波长只与啁啾光纤光栅的周期和有效折射率有关，在不改变啁啾光纤光栅结构的和周期的前提下，该啁啾光纤光栅的谐振波长随着外加在石墨烯上的电场的变化而改变，从而形成可调谐啁啾光纤光栅。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：包括纤芯(1)，包裹纤芯的外包层(2)和光纤平面一侧的涂覆层，所述涂覆层从下至上包括第一隔离介质层(3)，第一石墨烯层(4)，第三隔离介质层(6)，第二石墨烯层(7)，第五隔离介质层(9)，第一石墨烯层(4)连接电极A(10)，第二石墨烯层(7)连接电极B(12)，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层均为叉指电极结构，光传输方向上各段中心间隔相同，各段石墨烯条宽度依次递增或递减。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：所述涂覆层还包括第二隔离介质层(5)和/或第四隔离介质层(8)，第二隔离介质层(5)涂覆在第一石墨烯层(4)和第三隔离介质层(6)之间，第四隔离介质层(8)涂覆在第二石墨烯层(7)和第五隔离介质层(9)之间。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：所述第一石墨烯层(4)和第二石墨烯层(7)均为单层石墨烯。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：所述第一隔离介质层(3)、第二隔离介质层(5)、第三隔离介质层(6)、第四隔离介质层(8)和第五隔离介质层(9)均为绝缘层。
5.如权利要求4所述的一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：所述绝缘层为硼氮化物、硅氧化物或硅氮化物。
6.如权利要求1所述的一种基于石墨烯的电光可调D型啁啾光纤光栅，其特征在于：所述电极A(10)和电极B(12)的材料为金、银、铂或铜。
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